リッドレス フリップチップ パッケージの機械熱設計 ガイド...
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リッドレス フリップチップ パッケージの機械/熱設計 ガイドライン アプリケーション ノート XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 この資料は表記のバージョンの英語版を翻訳したもので、内容に相違が生じる場合には原文を優先します。資料に よっては英語版の更新に対応していないものがあります。日本語版は参考用としてご使用の上、最新情報につきまし ては、必ず最新英語版をご参照ください。
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リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージの機械/熱設計ガイド ライン
アプリケーシ ョ ン ノート
XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日
この資料は表記のバージョンの英語版を翻訳したもので、内容に相違が生じる場合には原文を優先します。資料によっては英語版の更新に対応していないものがあります。日本語版は参考用としてご使用の上、最新情報につきましては、必ず最新英語版をご参照ください。
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 2XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
改訂履歴
次の表に、 この文書の改訂履歴を示します。
日付 バージ ョ ン 改訂内容
2021 年 2 月 23 日 1.6 図 1-18、 図 1-19、 および図 1-20 を更新。
2020 年 9 月 22 日 1.5.1 図 1-18、 図 1-19、 図 1-20 の台座の寸法を明記。
2020 年 7 月 16 日 1.5リ ッ ド レス XCVU19P FSVA3824 および XCVU23P VSVA1365 のサポート を追加。
軽微な更新と変更。
2019 年 4 月 29 日 1.4文書全体を通してフローティング リ ッ ド設計のサポート を追加。
新規デバイスに関する図、 図面、 および情報を追加。
2018 年 7 月 2 日 1.3.1 ウェブの説明を更新。 技術的内容の変更はなし。
2018 年 6 月 8 日 1.3新規デバイスに関する図、 図面、 および情報を追加。
付録 A 「ザイ リ ンクス FCBGA リ ッ ド レス パッケージへの熱ソ リ ューシ ョ ンの
推奨取り付け手順」 を追加。
2018 年 2 月 28 日 1.2文書全体で説明文を改訂し、 図を更新。
編集上の軽微な更新と明確化。
2017 年 8 月 22 日 1.1 図を更新。
2017 年 1 月 9 日 1.0 初版
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 3XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
目次
改訂履歴 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4はじめに . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4リ ッ ド レス フ リ ップチップ パッケージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6パッケージの機械的仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6テス ト用の機械的サポート . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7熱管理ス ト ラテジ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19熱シ ミ ュレーシ ョ ンおよび熱モデルの使用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35サンプル ヒート シンクの冷却性能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53ヒート シンクの相変化材料の除去 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55計測デバッグ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56リ ファレンス デザイン ファ イル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56ま とめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57取り付けの管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
付録 B: その他のリソースおよび法的通知ザイ リ ンクス リ ソース . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85ソ リ ューシ ョ ン センター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Documentation Navigator およびデザイン ハブ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85参考資料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86お読みください: 重要な法的通知 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 4XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章
機械/熱設計ガイド ライン
概要
このアプリ ケーシ ョ ン ノートでは、 5 ページの表 1-1 に示した リ ッ ドレス フ リ ップチップ パッケージの Virtex® UltraScale+™ および Zynq® UltraScale+ 製品の仕様、 およびこれらを利用する際のガイ ド ラインとベス ト プラ クティ
スについて説明します。
はじめに
近年のプログラマブル ロジッ ク デバイスは大規模化、 高性能化、 複雑化が進み、 電力密度も向上しているため、 シ
ステム熱管理に新しいアプローチが求められるよ うになっています。 ザイ リ ンクスはデバイスの熱抵抗を抑える新
しいパッケージング テク ノ ロジへの投資によ り、 同じ温度環境で電力損失が増大してもジャンクシ ョ ン温度が上昇
するのを防いでいます。 表 1-1 に示した Virtex UltraScale+ および Zynq UltraScale+ デバイスは、 最大規模のザイ リ ン
クス 16nm FinFET テク ノ ロジ デバイス向けに設計された革新的な リ ッ ドレス パッケージとの組み合わせが提供され
ており、 同じ電力損失なら動作温度を最大 10°C 低く抑えるこ とができます。
これらのパッケージでデバイスの最適なパフォーマンス と コンポーネン トの長期的な信頼性を両立するには、 コン
ポーネン トの熱管理設計に十分な配慮が必要です。 機械的設計はアプリ ケーシ ョ ンによって大き く異なるため、 シ
ステム レベルの熱シ ミ ュレーシ ョ ンを設計し、 特定のシャーシを使用するデバイス間の熱相互作用を解析する必要
があ り ます。
システム レベルの熱設計および熱解析を簡単にするため、 このアプリ ケーシ ョ ン ノートでは表 1-1 に示したデバイ
ス とパッケージの組み合わせの熱モデルについて説明します。 これらの熱モデルをシステム レベルの熱モデルに組
み込み、 Ansys Icepak や Mentor FloTHERM などの数値流体力学 (CFD) シ ミ ュレーシ ョ ン ソフ ト ウェアで解析できま
す。 このアプリ ケーシ ョ ン ノートでは、 シ ミ ュレーシ ョ ン ソフ ト ウェア パッケージで熱モデルを作成し、 そのモデ
ルを使用する方法について説明します。
プログラマブル ロジッ ク デザインの最適なパフォーマンスを引き出すには、 機械的設計に高い精度が求められま
す。 通常、 これらのデバイスは厳しい機械衝撃/振動試験を受ける必要があ り ます。 機械的設計を適切に行う こ とに
よ り、 これらのデバイスは性能ス ト レス要件を満たすこ とができます。 また、 ヒート シンク とデバイスの良好な接
触を維持して冷却性能を最大限に高めるために、 革新的なデザインが採用されています。
このアプリ ケーシ ョ ン ノートでは、 これら Virtex UltraScale+ および Zynq UltraScale+ デバイス /パッケージの組み合
わせに特有の熱および機械的設計の要件について説明します。 リ ファレンス デザインの入手先は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 を参照してください。
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 5XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
.
表 1-1: デバイスと リ ッ ドレス パッケージの組み合わせ
デバイス パッケージヒートシンク デザイン
熱モデル フローティング リ ッ ド
デザイン2
抵抗
DELPHIモデル
簡略モデル
XCVU11P FSGD2104 図 1-15 図 1-27 表 1-6 図 1-2
XCVU9P FSGD2104 図 1-16 図 1-28 表 1-7 図 1-3
XCVU13P FIGD2104 図 1-17 図 1-29 表 1-8 図 1-4
XCVU13P FSGA2577 図 1-17 図 1-29 表 1-8 図 1-4
XCVU19P FSVA3824 図 1-22 図 1-38 表 1-12 表 1-27 図 1-11
XCVU23P VSVA1365 図 1-23 図 1-39 表 1-13 表 1-28 図 1-12
XCVU27P FIGD2104 図 1-17 図 1-29 表 1-8 図 1-4
XCVU27P FSGA2577 図 1-17 図 1-29 表 1-8 図 1-4
XCVU29P FIGD2104 図 1-17 図 1-29 表 1-8 図 1-4
XCVU29P FSGA2577 図 1-17 図 1-29 表 1-8 図 1-4
XCVU31P FSVH1924 図 1-18 図 1-30 表 1-19 図 1-8
XCVU33P FSVH2104 図 1-18 図 1-31 表 1-20 図 1-9
XCVU35P FSVH2104 図 1-19 図 1-32 表 1-21 図 1-9
XCVU35P FSVH2892 図 1-19 図 1-33 表 1-22 図 1-10
XCVU37P FSVH2892 図 1-20 図 1-34 表 1-23 図 1-10
XCZU25DR FSVE1156 図 1-21 図 1-35 表 1-9 表 1-24 図 1-5
XCZU25DR FSVG1517 図 1-21 図 1-36 表 1-10 表 1-25 図 1-6
XCZU27DR FSVE1156 図 1-21 図 1-35 表 1-9 表 1-24 図 1-5
XCZU27DR FSVG1517 図 1-21 図 1-35 表 1-10 表 1-25 図 1-6
XCZU28DR FSVE1156 図 1-21 図 1-35 表 1-9 表 1-24 図 1-5
XCZU28DR FSVG1517 図 1-21 図 1-36 表 1-10 表 1-25 図 1-6
XCZU29DR FSVF1760 図 1-21 図 1-37 表 1-11 表 1-26 図 1-7
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第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ
ザイ リ ンクスのリ ッ ドレス フ リ ップチップ ボール グ リ ッ ド アレイ (BGA) パッケージは従来のリ ッ ド付きフ リ ップ
チップ パッケージと同じパッケージ基板デザインを使用しており、 電気伝導率およびボード熱伝導率は従来のフ
リ ップチップ パッケージと同じです。 ただし リ ッ ド (ヒート スプレッダー ) が除去されているため、 熱伝導材料 (TIM) を追加して外部ヒート シンク とダイを直接接触させるこ とができます。 リ ッ ドレス パッケージでは熱抵抗が
減少し、 熱挙動が改善されます。 また、 2 相 (ヒート パイプ、 ベイパー チャンバー、 または液体) 冷却方法を使用し
たカスタム パッシブ/アクティブ ヒート シンク デザインをダイの発熱源近くに直接設置するこ とが可能です。 これ
らの利点によ り、 デバイスからよ り効率的に熱を除去できます。 このため、 よ り周囲温度の高い環境や面積の制約
が厳しい環境での動作、 そしてよ り大電力を必要とする動作にも対応できます。
パッケージの機械的仕様
パッケージの機械的特長に関する説明および図面
フ リ ップチップ BGA パッケージのザイ リ ンクス FPGA は PCB 表面に直接はんだ付けされます。 リ ッ ドレス パッ
ケージのパッケージ寸法および BGA ボール ピッチを含む詳細な機械図面は、 『UltraScale および UltraScale+ FPGA パッケージおよびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG575) [参照 1] および 『Zynq UltraScale+ デバイス パッケージおよび
ピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG1075) [参照 2] に記載しています。 各パッケージの詳細な機械的仕様は、 これらの
ユーザー ガイ ドを参照してください。
ザイ リ ンクスのリ ッ ドレス パッケージの特長の 1 つと して、 パッケージ基板の外縁部にスティフナー リ ングが追加
されています。 このスティ フナー リ ングでパッケージの強度を高めるこ とによ り、 パッケージ全体の共平面性 (平坦
性) が向上しています。 スティ フナー リ ングには、 ヒート シンク ソ リ ューシ ョ ンをデバイスに取り付ける際のガイ
ド と しての役割もあ り ます。
X-Ref Target - Figure 1-1
図 1-1: リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージの図
X18048-011718
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第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
テス ト用の機械的サポート
リ ッ ド レス パッケージの導入をサポートするため、 ザイ リ ンクス FPGA に付随するフローティング リ ッ ドを組み込
むこ とができます。 ダイよ り も高いスティ フナー リ ングを使用してザイ リ ンクス リ ッ ド レス FPGA を設計する と、
パッケージの反り を抑えるこ とができます。 ダイに接触するよ うにアイランドを高く したヒート シンクまたはテス
ト ソケッ ト を使用しない場合は、 フローティング リ ッ ドを使用できます。 フローティング リ ッ ドによってダイに圧
力がかかるため、 パッケージとテス ト ソケッ ト または熱ソ リ ューシ ョ ンは良好な状態で接触します。
フローティング リ ッ ドは、 ブ リ ングアップ時の一時的な使用を目的と しています。 よ り永続的なテス ト ソ リ ュー
シ ョ ンが必要な場合は、 ザイ リ ンクスのサポート までお問い合わせください。 これらの設計は現状有姿の状態で提
供されており、 認定されたものではあ り ません。 フローティング リ ッ ドを使用する と、 シ リ コン上にヒート シンク
を直接実装した場合に比べて放熱性能が下がる可能性があ り ます。
ザイ リ ンクスでは、 一部のリ ッ ドレス パッケージにフローティング リ ッ ドを使用する場合のリ ファレンス デザイン
を提供しています。 これらのデザインは、 ダイ とフローティング リ ッ ドの間に熱伝導材料 (TIM) を使用するこ とを
想定しています。 この TIM 層の厚さは約 100µm にしてください。 以降に示す図は、 この TIM 層がない場合のフロー
ティング リ ッ ドの図です。 図面 (.dwg および .pdf) は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
フローティング リ ッ ドは、 JenTech Precision Industrial Co., LTD (http://www.jentech.com.tw/) から注文可能です。
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第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
フローテ ィング リ ッ ドの設計
XCVU11P-FSGD2104 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から提供されています (製品
番号なし )。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-2
図 1-2: XCVU11P-FSGD2104 用のフローティング リ ッ ド
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 9XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU9P-FSGD2104 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から提供されています (製品
番号 60004745)。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-3
図 1-3: XCVU9P-FSGD2104 用のフローティング リ ッ ド
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 10XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU13P-FIGD2104、 XCVU13P-FSGA2577、 XCVU27P-FIGD2104、 XCVU27P-FSGA2577、 XCVU29P-FIGD2104、XCVU29P-FSGA2577 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から提供されています (製品
番号 60004989)。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-4
図 1-4: XCVU13P-FIGD2104、 XCVU13P-FSGA2577、 XCVU27P-FIGD2104、 XCVU27P-FSGA2577、 XCVU29P-FIGD2104、XCVU29P-FSGA2577 用のフローティング リ ッ ド
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第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCZU25DR-FSVE1156、 XCZU27DR-FSVE1156、 XCZU28DR-FSVE1156 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から提供されています (製品番号 60005403)。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ
イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-5
図 1-5: XCZU25DR-FSVE1156、 XCZU27DR-FSVE1156、 XCZU28DR-FSVE1156 用のフローティング リ ッ ド
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 12XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCZU25DR-FSVG1517、 XCZU27DR-FSVG1517、 XCZU28DR-FSVG1517 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から提供されています (製品番号 60005404)。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ
イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-6
図 1-6: XCZU25DR-FSVG1517、 XCZU27DR-FSVG1517、 XCZU28DR-FSVG1517 用のフローティング リ ッ ド
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 13XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCZU29DR-FSVF1760 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から提供されています (製品番号 60005483)。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-7
図 1-7: XCZU29DR-FSVF1760 用のフローティング リ ッ ド
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 14XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU31P-FSVH1924 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から提供されています (製品
番号 60005649)。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-8
図 1-8: XCVU31P-FSVH1924 用のフローティング リ ッ ド
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 15XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU33P-FSVH2104、 XCVU35P-FSVH2104 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から
提供されています (製品番号 60005552)。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-9
図 1-9: XCVU33P-FSVH2104、 XCVU35P-FSVH2104 用のフローティング リ ッ ド
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 16XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU35P-FSVH2892、 XCVU37P-FSVH2892 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から
提供されています (製品番号 60005552)。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-10
図 1-10: XCVU35P-FSVH2892、 XCVU37P-FSVH2892 用のフローティング リ ッ ド
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 17XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU19P-FSVA3824 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から提供されています (製品
番号 60006300)。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-11
図 1-11: XCVU19P-FSVA3824 用のフローティング リ ッ ド
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 18XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU23P-VSVA1365 用のフローティング リ ッ ドは、 JenTech (http://www.jentech.com.tw/) から提供されています (製品
番号 60007240)。 設計図面は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-12
図 1-12: XCVU23P-VSVA1365 用のフローティング リ ッ ド
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 19XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
熱管理スト ラテジ
理想的な熱管理の第一歩は、 適切なパッケージ デザインから始ま り ます。 ただし ヒート シンク ソ リ ューシ ョ ンも適
切に設計しなければ効果を上げるこ とはできません。
キープアウト ゾーン
BGA パッケージでは、 ダイ周辺にキャパシタを配置できます。 ダイ周辺のキャパシタはダイの高さよ り もわずかに
低いだけで、 しかも導電性の場合もあるため、 導電性材料との接触は避ける必要があ り ます。
パッケージのスティ フナーはダイよ り も高さがあるため、 熱/機械ソ リ ューシ ョ ンがこれと干渉しないよ うにする必
要があ り ます。 したがって、 熱管理ソ リ ューシ ョ ンにはアイランド と呼ばれる部分 (凸部) が必要です。 次に、
XCVU13P-D2104 の場合の例を示します。
XCVU13P-FIGD2104 のアイランド寸法:
幅 = 34mm長さ = 42mm高さ = 1.5mm平坦性: < 75µm表面粗さ = 3 ~ 5µm
• 詳細は、 XCVU13P-FIGD2104 のヒート シンク (図 1-17) を参照してください。 アイランドには、 35.5 x 44mm の TIM を塗布する必要があ り ます。 リ ファレンス デザインは Laird (PCM780SP) または Honeywell (PTM6500D) の TIM を使用しています。
• TIM の全体的な熱接触は、 TIM サプライヤーのデータシートに記載の上記パラ メーターに基づいて決定します。
• パッケージにかける圧力は、 「ヒート シンクの圧力」 のガイ ド ラインに従ってください。 これよ り も圧力が小さ
いと熱接触が不足する恐れがあ り、 圧力が大きいとデバイスを損傷する恐れがあ り ます。 したがって、 圧力は
厳密に制御する必要があ り ます。 『UltraScale および UltraScale+ FPGA パッケージおよびピン配置ユーザー ガイ
ド』 (UG575) [参照 1] および 『Zynq UltraScale+ デバイス パッケージおよびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG1075) [参照 2] の 「TIM を介してヒートシンクからパッケージに加わる圧力」 に記載した推奨事項を参照してください。
• 熱モデル化では、 熱管理ソ リ ューシ ョ ンの製造ばらつき (ファンのエアフロー誤差、 ヒート パイプまたはベイ
パー チャンバーの性能誤差、 ヒート シンク ベースへのフ ィン取り付け誤差、 表面の平坦性など) を含むあらゆ
る不確実性要素を考慮する必要があ り ます。
ヒート シンク サンプル デザインには、これらデバイス /パッケージの組み合わせに対する ヒート シンク設計に役立つ CAD ファ イルと資料が含まれています。 これらのヒート シンク サンプル デザインは、表 1-1 に示したデバイス /パッ
ケージの組み合わせ向けのリ ファレンス デザインと して使用できます。
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第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
システム レベルのヒートシンク ソリューシ ョ ン
システムの物理的、 機械的、 および環境的制約を考慮に入れて、 デバイスの最大動作温度を超えないよ うに全体的
な熱バジェッ ト を維持する必要があ り ます。 安全な動作温度を維持する熱管理ソ リ ューシ ョ ンにおいて、 ヒート シ
ンクは最も重要ではないにしても、 欠かすこ とのできない要素です。 このため、 次の点に注意してください。
• ザイ リ ンクス FCBGA リ ッ ド レス パッケージへの熱ソ リ ューシ ョ ンの推奨取り付けは、 付録 A に記載の詳細手
順に従ってください。
• 実際のアプリ ケーシ ョ ンでデバイスの放熱性能を求める際には、 『UltraScale および UltraScale+ FPGA パッケー
ジおよびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG575) [参照 1] および 『Zynq UltraScale+ デバイス パッケージおよびピン
配置ユーザー ガイ ド』 (UG1075) [参照 2] に記載された JC パラ メーターをそのまま使用しないでください。
これらのパラ メーターは JEDEC JESD51 規格に基づいて計算したもので、 システム パラ メーターがほとんどの
アプリ ケーシ ョ ンとは大き く異なり ます。 したがって、 すべての境界条件におけるデバイスの放熱性能をよ り
正確に表現した DELPHI 熱モデルを使用して、 ワース ト ケースの環境条件でシステムの熱シ ミ ュレーシ ョ ンを
実行する必要があ り ます。
• 熱接触抵抗を最小限に抑えるには、 パッケージの機械的仕様およびダイ と熱管理ソ リ ューシ ョ ンの間に使用す
る TIM の選択にも注意する必要があ り ます。
• 図 1-13 は、 0°C ～ 100°C の BLR (Board-Level Reliability) サイクルを 1000 回実施した後の PCM780SP の状態で
す。 このパッケージは 5000 回の温度サイクルをエラーなしで完了しました。
X-Ref Target - Figure 1-13
図 1-13: VU13P-FIGD2104 用ヒートシンク (PCM780SP 使用) の例
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第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
ヒートシンク デザイン
リ ファレンス デザイン ファイルには、 CAD ファイルを含むヒートシンク サンプル デザインが含まれており、 これら
パッケージに対する ヒートシンクの設計に役立ちます。 図 1-15 ～図 1-21 に、 ヒートシンク デザインの例を示します。
注記: リ ファレンス デザインはすべて、 PCB の厚さ 2.3mm を基準に開発されています。 使用する PCB の厚さが異な
る場合は、 それに応じてネジ/スプリ ングの寸法を調整し、 同じ圧縮が得られるよ うにして ください。
次の図は、 PCB へのヒート シンクの取り付けを示しています (マウン ト用ネジ穴の直径 3.2mm、 各穴の周囲のキープ
アウ ト エリ ア 8.0mm)。X-Ref Target - Figure 1-14
図 1-14: PCB へのヒートシンクの取り付け
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 22XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU11P-FSGD2104 用のエッチング加工ヒートパイプ デザインは NTK LIMITED 社 (香港、 www.ntkltd.com) から提
供されています (製品番号 19020000009)。 このデザインの 3D モデル (STEP フォーマッ ト ) は、 「 リ ファレンス デザイ
ン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-15
図 1-15: XCVU11P-FSGD2104 用ヒートシンク (エッチング加工ヒートパイプ デザイン)
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 23XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU9P-FSGD2104 用のエッチング加工ヒートパイプ デザインは NTK LIMITED 社 (香港、www.ntkltd.com) から提供
されています (製品番号 19020000010)。 このデザインの 3D モデル (STEP フォーマッ ト ) は、「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-16
図 1-16: XCVU9P-FSGD2104 用ヒートシンク (エッチング加工ヒートパイプ デザイン)
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 24XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU13P- FIGD2104、 XCVU13P-FSGA2577、 XCVU27P-FIGD2104、 XCVU27P-FSGA2577、 XCVU29P-FIGD2104、 お
よび XCVU29P-FSGA2577 用のエッチング加工ヒートパイプ デザインは、 NTK LIMITED 社 (香港、 www.ntkltd.com) から提供されています (製品番号 19020000011)。 このデザインの 3D モデル (STEP フォーマッ ト ) は、「リ ファレンス デザ
イン ファイル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-17
図 1-17: XCVU13P-FIGD2104、 XCVU13P-FSGA2577、 XCVU27P-FIGD2104、 XCVU27P-FSGA2577、XCVU29P-FIGD2104、 XCVU29P-FSGA2577 用ヒートシンク (エッチング加工ヒートパイプ デザイン)
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 25XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU31P-FSVH1924 および XCVU33P-FSVH2104 用のヒートパイプ ヒート シンク デザインは、 NTK LIMITED 社 (香港、 www.ntkltd.com) から提供されています (製品番号 19020000006)。 このデザインの 3D モデル (STEP フォーマッ ト ) は、 「リ ファレンス デザイン ファイル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-18
図 1-18: XCVU31P-FSVH1924 および XCVU33P-FSVH2104 用ヒートシンク (ヒートパイプ デザイン)
100±0.3
100±0.3
24±0.3
PCM 780SP
34.5*26.5*0.15 mm
1.5
±0.1
5
Bracket92*92*2.7 mm
12079100077
Accessories with the Box
27.55
35.6
0
Spring Specification
Force (Kgf) 3.8 (per spring)
Spring Compression (mm) 5.8
Spring k (Kgf/mm) 0.91 ±10%
X24776-111820
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 26XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU35P-FSVH2104 および XCVU35P-FSVH2892 用のヒートパイプ ヒート シンク デザインは、 NTK LIMITED 社 (香港、 www.ntkltd.com) から提供されています (製品番号 19020000007)。 このデザインの 3D モデル (STEP フォーマッ ト ) は、 「リ ファレンス デザイン ファイル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-19
図 1-19: XCVU35P-FSVH2104 および XCVU35P-FSVH2892 用ヒートシンク (ヒートパイプ デザイン)
100±0.3
100±0.3
PCM 780SP
33.5*33.5*0.15 mm
35.83
36.5
9
Spring Specification
Force (Kgf) 5.6 (per spring)
Spring Compression (mm) 5.9
Spring k (Kgf/mm) 1.37 ±10%
Bracket92*92*2.7 mm12079100077
Accessories with the Box
24±0.3
1.5
±0.1
501
X24777-11182
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 27XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU37P-FSVH2892 用のヒートパイプ ヒート シンク デザインは、 NTK LIMITED 社 (香港、 www.ntkltd.com) から提
供されています (製品番号 19020000008)。 このデザインの 3D モデル (STEP フォーマッ ト ) は、 「 リ ファレンス デザイ
ン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-20
図 1-20: XCVU37P-FSVH2892 用ヒートシンク (ヒートパイプ デザイン)
100±0.3
100±0.3
PCM 780SP
35.5*44*0.15 mm
44.97
36.5
9
Spring Specification
Force (Kgf) 7.5 (per spring)
Spring Compression (mm) 5.9
Spring k (Kgf/mm) 1.82 ±10%
Bracket
92*92*2.7 mm
12079100077
Accessories with the Box
24±0.3
1.5
±0.1
5
X24778-11182
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 28XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCZU25DR-FSVE1156、 XCZU25DR-FSVG1517、 XCZU27DR-FSVE1156、 XCZU27DR-FSVG1517、XCZU28DR-FSVE1156、 XCZU28DR-FSVG1517、 XCZU29DR-FSVF1760 用のヒートパイプ ヒート シンク デザインは、
NTK LIMITED 社 (香港、www.ntkltd.com) から提供されています (製品番号 15029000217)。 このデザインの 3D モデル (STEP フォーマッ ト ) は、 「 リ ファレンス デザイン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-21
図 1-21: XCZU25DR-FSVE1156、 XCZU25DR-FSVG15h17、 XCZU27DR-FSVE1156、 XCZU27DR-FSVG1517、 XCZU28DR-FSVE1156、XCZU28DR-FSVG1517、 XCZU29DR-FSVF1760 用ヒートシンク (ヒートパイプ デザイン)
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 29XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCZU19P-FSVA3824 用のヒートパイプ ヒート シンク デザインは、 NTK LIMITED 社 (香港、 www.ntkltd.com) から提
供されています (製品番号 1.02.01.0197H)。 このデザインの 3D モデル (STEP フォーマッ ト ) は、 「 リ ファレンス デザ
イン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-22
図 1-22: XCVU19P-FSVA3824 用ヒートシンク (ヒートパイプ デザイン)
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 30XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU23P-VSVA1365 用のヒートパイプ ヒート シンク デザインは、 NTK LIMITED 社 (香港、 www.ntkltd.com) から提
供されています (製品番号 5.02.09.0621H)。 このデザインの 3D モデル (STEP フォーマッ ト ) は、 「 リ ファレンス デザ
イン ファ イル」 から入手可能です。
X-Ref Target - Figure 1-23
図 1-23: XCVU23P-VSVA1365 用ヒートシンク (ヒートパイプ デザイン)
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 31XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
ヒートシンクの圧力
エンジニア リ ングでは一般に、 ダイのサイズやピン数などの要素に基づいて 20 ～ 50psi の圧力が使用されます。
これによ り、 熱伝導材料 (TIM) を使用したシ リ コンと熱ソ リ ューシ ョ ン間の熱接触性が最適化されます。
注記: ザイ リ ンクスはこれまで、配置によって 1 ピンあたり 20 ～ 40psi を推奨する場合と 5 ～ 10g force を推奨する場
合があ り ました。 これらの推奨値は個々の製品ケースに基づいたもので、 動作確認済みです。 業界標準の推奨値は、
1 ピンあたり 20 ～ 60psi または 5 ～ 15g force です (ダイおよびパッケージのサイズによって異なる )。
ネジによってヒート シンクにかかる力の量は、 (TIM を通して伝わる ) ヒート シンクによってダイにかかる力の量と
ほぼ等し くする必要があ り ます。 ヒート シンクの設計時には、 ネジによってヒート シンクにかかるおおよその力の
量を次の式で求めるこ とができます。
式 1-1
こ こで、 n はスプリ ングの数、 k はスプリ ング定数、 δ はスプリ ングの圧縮長です。 こ こに示すリ ファレンス デザイ
ンでは、 n = 4 です。 スプリ ング定数はベンダーから入手するか、 または測定できます。 圧縮長は次のとおりです。
式 1-2
こ こで、 lc は圧縮状態のスプリ ングの長さ、 l0 は非圧縮状態 (最初) のスプリ ングの長さです。 これらのスプリ ングの
長さは、 図 1-24 に示すコンポーネン トのスタ ッ クアップ分析を行って求めるこ とができます。 たとえば、 図 1-24 では lc = [1] です。 次に、 スタ ッ クアップ分析の例 (マザーボードの最上部でネジが止まる ) を示します。
式 1-3
こ こで、 hs はス ト ッパーからネジ頭までのスプリ ングの寸法 (例: 図 1-24 では [1] + [2])、 hc は組み立てられたパッ
ケージの寸法 (BGA からダイ表面まで)、 hTIM は TIM1.5 の厚さ、 hHS はヒート シンクの寸法 (ヒート シンク アイラン
ドからスプリ ングが接するプレーンまで)、 hPCB は PCB の厚さです。
F n k =
lc l– 0=
lc hs hc– hT IM– hHS– hPCB–=
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 32XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
ヒート シンクのリ ファレンス デザインでは、 次の図に示すスタ ッ クアップ分析に基づいてスプリ ングの圧縮が定義
されます。
X-Ref Target - Figure 1-24
図 1-24: スプリング付きネジ デザインのヒートシンク上面図 (上) とスプリング付きネジ デザインのヒートシンク断面図 (下)
X-Ref Target - Figure 1-25
図 1-25: スタ ックアップ分析に基づく リファレンス デザインのヒートシンク スプリング仕様 (mm 単位)
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 33XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCSZU25DR リ ファレンス ヒート シンクの場合、 圧縮状態のスプリ ングは次のよ うにな り ます。
式 1-4
説明:
式 1-5
各値の説明は次のとおりです。
X-Ref Target - Figure 1-26
図 1-26: ネジおよび E リング スト ッパー クリ ップの寸法
表 1-2: リファレンス ヒートシンクの圧縮状態のスプリング長の計算
値 説明 XCSZU25DR FFSVE1156 XCSZU25DR FSVA3824
hs ス ト ッパーからネジ頭までのスプリ ングの寸法 20.19-3.2 (図 1-26) = 16.99mm
20.19-3.2 (図 1-26) = 16.99mm
hc 組み立てられたパッケージの寸法 (BGA からダイ
表面まで)3.23mm 3.48mm
hTIM TIM の厚さ 0.07mm 0.07mm
hHS ヒート シンクの寸法 (ヒート シンク アイランドから
スプリ ングが接するプレーンまで)5.5mm 5.5mm
hPCB PCB の厚さ 2.3mm 2.3mm
lc hs-hc-hTIM-hHS-hPCB 5.89mm 5.64mm
lc l– 0=
lc hs hc– hT IM– hHS– hPCB–=
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 34XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
ヒート シンクによってダイにかかる力に基づいて、 次のよ うに圧力を計算できます。
式 1-6
こ こで、 Adie はダイ面積です。 この値は 『UltraScale および UltraScale+ FPGA パッケージおよびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG575) [参照 1] または 『Zynq UltraScale+ デバイス パッケージおよびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG1075) [参照 2] から得るこ とができます。
リ ッ ドレス パッケージの場合:
かかる力 f (kgf)==0.031*(A^1.25)/(N)^0.25
かかる圧力 (PSI)=44*(A/N)^0.25
説明:
• N: BGA の数
• A: パッケージと ヒート シンクの接触面積 (mm2)
推奨するスプリ ング圧縮とスプリ ング定数 k によって定義される力から、 リ ファレンス ヒート シンクの圧力は次の
表のよ うにな り ます。
l0 非圧縮状態 (最初) のスプリ ングの長さ 10.0mm 10.0mm
δ スプリ ングの圧縮長 4.11mm 4.36mm
表 1-3: リファレンス ヒートシンクの圧力
パッケージ デバイス 力 (Kgf) PSI スプリング圧縮δ (mm)
スプリング定数 k (kgf/mm)
2104 XCVU9P 22.47 32.74 4.11 1.37
2104 XCVU11P 22.47 35.77 4.11 1.37
2104 XCVU13P 29.86 36.17 4.11 1.82
2104 XCVU27P/29P 29.86 36.12 4.11 1.82
2577 XCVU13P 29.27 35.47 4.03 1.82
2577 XCVU27P/29P 29.27 35.42 4.03 1.82
1924 XCVU31P 15.22 33.52 4.20 0.91
2104 XCVU33P 15.22 32.84 4.20 0.91
2104 XCVU35P 22.97 34.74 4.20 1.37
2892 XCVU35P 22.97 34.74 4.20 1.37
2892 XCVU37P 30.51 35.53 4.20 1.82
1156 XCZU25DR/27DR/28DR 8.70 32.23 3.65 0.60
1517 XCZU25DR/27DR/28DR 8.70 32.23 3.65 0.60
1760 XCZU29DR 8.70 32.23 3.65 0.60
3824 XCVU19P 38.19 35.78 4.36 2.19
1365 XCVU23P 15.37 44.37 4.20 0.91
表 1-2: リファレンス ヒートシンクの圧縮状態のスプリング長の計算 (続き)
値 説明 XCSZU25DR FFSVE1156 XCSZU25DR FSVA3824
P FAdie--------=
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第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
ザイ リ ンクスでは、 ヒート シンクの動的実装 (スプリ ング付きネジを使用してヒート シンクを取り付けるこ と ) を推
奨しています。 温度逸脱によるボードの反りや、 機械的な力によるその他のゆがみが発生するため、 スプ リ ングを
使用する と、 よ り小さなたわみでよ り大きな力がかかるよ うに調整され、 変化に応じて動的に調整されます。 前述
のスプリ ング付きネジ デザインを使用する と、 スプ リ ングの圧縮長が固定されるため、 ヒート シンクの力が一貫し
た製品になり ます。 個々の製品のダイ サイズが固定され、 ダイにかかる ヒート シンク圧力が一定になり ます。 ザイ
リ ンクスでは、 バッ ク ブラ ッケッ ト またはバッ ク プレート を使用して機械的に支えるこ と も推奨しています。
取り付け時には、 付録 A で説明する計測によって、 この圧力を得るために必要なネジの トルク量を求めるこ とを推
奨します。 ザイ リ ンクスでは、 各ネジの トルクを 2.5in-lbf とする と通常は目標の圧力範囲に達するこ とを確認済み
です。 ネジの トルクを決定する際は、 その トルクでダイに対して適切な圧力が得られるかを検証してください。
圧力測定時 (または通常動作時) にパッケージと ヒート シンクの間に熱電対がある と、 熱接触の質が低下して熱測定
が不正確になる恐れがあ り ます。 こ こには熱電対を配置しないよ うにして ください。 パッケージと熱システム ソリ ューシ ョ ンの熱接触性が最適とな り、 なおかつパッケージの機械的な完全性が損なわれない範囲内で適切な圧力
を選択するこ とをベス ト プラ クティ ス と して推奨します (熱ソ リ ューシ ョ ンは機械的ス ト レスおよび振動に関するす
べての認定試験に合格したものを使用)。
熱シミ ュレーシ ョ ンおよび熱モデルの使用
ユーザー デザインの電力要件を短時間で正確に見積もるこ とができるよ うに、 ザイ リ ンクスはデバイスの消費電力
解析ツールを提供およびサポート しています。 Xilinx Power Estimator (XPE) の最新バージ ョ ンを https://japan.xilinx.com/power からダウンロード して、 必要事項を入力してください。 電力要件はデザインごとに異な
るため、 あらかじめ決まった熱管理ソ リ ューシ ョ ンを適用するのは困難です。 XPE で見積もったデバイスの電力要
件と、 システムの動作条件および制約に基づいて最適なソ リ ューシ ョ ンを選択する必要があ り ます。
システムの熱モデル化では、 簡略熱モデルまたは DELPHI 熱モデルを使用するこ とを推奨します。 2 抵抗モデルは精
度が不十分なため、 熱シ ミ ュレーシ ョ ン/設計での使用は推奨しません。 パッケージの詳細モデル表現を使用する と、
シ ミ ュレーシ ョ ンに必要なメモ リ量と実行時間が増大するこ とがあ り ます。 熱モデルを使用する際には、 熱セン
サーの精度、 TIM のパラ メーター、 および熱管理ソ リ ューシ ョ ンの製造上のばらつきを考慮する必要があ り ます。
このよ うなばらつきの例と しては、 ファンからのエアフロー誤差、 ヒート パイプおよびベイパー チャンバーの性能
誤差、 ヒート シンク ベースへのフ ィン取り付け製造誤差、 表面の平坦性などがあ り ます。
簡略モデル
簡略モデルは、 パッケージ モデル化の複雑さを抑えながらパッケージの熱挙動をよ り正確に観察してジャンクシ ョ
ン温度を予測するこ とを目標と しています。 完全な詳細モデルとは異なり、 簡略モデルは演算負荷が小さ く、 統合
システムのシ ミ ュレーシ ョ ン環境に適応しています。 また、 設計初期段階で熱管理ソ リ ューシ ョ ンの値を推定する
のに適しています。 ただし、 デザインを最終決定する前には 「詳細モデル」 を完成させる必要があ り ます。
簡略モデルは、ザイ リ ンクス サポート ダウンロード センター内の [UltraScale+ FPGAs - Package Thermal Models] から
入手できます。簡略モデルは Ansys Icepak フォーマッ ト と Mentor FloTHERM フォーマッ トの両方で提供しています。
特に FloTHERM または Icepack 以外のシ ミ ュレーシ ョ ン ツールを使用する場合、 作成したモデルはパッケージを正
確に表現している必要があ り ます。 正しい結果を得るには、 TIM1.5 または簡略モデル上部の接触面の定義をパッ
ケージに合わせて正し く指定する必要があ り ます。 この簡略モデルはダイ上部の接触面が定義済みですが、 これは
完全なパッケージ サイズではないこ とがあ り ます。
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 36XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
詳細モデルを使用する場合は、 次の点に注意してください。
1. 上部接触面が実際の完全なパッケージ サイズと異なるこ とがあるため、 詳細モデル上部の TIM をモデル化する
際は、 パッケージに合った正しい上部接触面を使用してください。
2. ジャンクシ ョ ン温度の計測点はダイ中央です。 実際のデザインに合わせてジャンクシ ョ ン計測点の位置を変更
するか、 新しい計測点を追加してください。
3. 特にダイ全体で電力密度が一様でない場合は、 デフォルトの消費電力を具体的な電力要件に置き換える必要が
あ り ます。
2 抵抗モデル
熱管理ソ リ ューシ ョ ンが異なる とパッケージ内の熱拡散の値も変化するため、 2 抵抗熱モデルは推奨しません。 同様
に、 パッケージを層数の異なる PCB に実装した場合も (JB) が変動します。 PCB には周囲環境に熱を放散する働き
があるためです。 ジャンクシ ョ ン-ケース間の熱抵抗 (JC) およびジャンクシ ョ ン-ボード間の熱抵抗 (JB) は、 周囲
条件の関数と して示されます。
ダイ とその接触面との間に熱電対を置く と熱接触が低下し、 パッケージが過熱する可能性があるため、 こ こには置
かないでください。 ジャンクシ ョ ン温度の値はシステム モニターから取得するこ とを推奨します。
表 1-4 に、 周囲条件の関数と しての JC の変化を示します。 表 1-5 に、 各デバイス /パッケージの組み合わせのジャ
ンクシ ョ ンからボードまでの熱抵抗 JB を示します。 これらの JC および JB の報告値を使用する と、 同じ条件で
各パッケージを比較できます。
表 1-4: 外部熱管理ソリューシ ョ ンが異なる場合の JC の変化 (ユーザーからの報告値)
デバイス h (W/m2 K) 100 1000 5000 10000 JEDEC
XCVU11P-FSGD2104 JC 0.004 0.004 0.004 0.004 0.004
XCVU9P-FSGD2104 JC 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003
XCVU13P-FIGD2104、XCVU13P-FSGA2577
JC 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003
XCVU31P-FSVH1924 JC 0.367 0.324 0.247 0.213 0.055
XCVU33P-FSVH2104 JC 0.306 0.270 0.208 0.180 0.034
XCVU35P-FSVH2104 JC 0.145 0.127 0.100 0.088 0.017
XCVU35P-FSVH2892 JC 0.142 0.126 0.099 0.087 0.017
XCVU37P-FSVH2892 JC 0.086 0.078 0.065 0.059 0.013
XCZU25DR-FSVE1156、XCZU27DR-FSVE1156、XCZU28DR-FSVE1156
JC 0.0189 0.0188 0.0186 0.0183 0.0164
XCZU25DR-FSVG1517 XCZU27DR-FSVG1517XCZU28DR-FSVG1517
JC 0.0190 0.0188 0.0185 0.0170 0.0164
XCZU29DR-FSVF1760 JC 0.0190 0.0188 0.0185 0.0183 0.0164
XCVU27P-FIGD2104 XCVU27P-FSGA2577 XCVU29P-FIGD2104 XCVU29P-FSGA2577
JC 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003
XCVU19P-FSVA3824 JC 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002
XCVU23P-VSVA1365 JC 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 37XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
表 1-5: 外部熱管理ソリューシ ョ ンが異なる場合の JB の変化
デバイス h (W/m2 K) Kx,y=25、 Kz=0.4 Ke=0.78
Kx,y=50、 Kz=0.75 Ke=1.48
Kx,y=90、 Kz=1.5 Ke=2.45
Kx,y=110、 Kz=5 Ke=9.6
XCVU11P-FSGD2104 1000.324
(修正 JEDEC)0.292 0.253 0.219
XCVU9P-FSGD2104 1000.340
(修正 JEDEC)0.300 0.257 0.220
XCVU13P-FIGD2104XCVU13P-FSGA2577
1000.272
(修正 JEDEC)0.244 0.212 0.185
XCVU31P-FSVH1924 100 0.70 (修正 JEDEC) 0.63 0.54 0.47
XCVU33P-FSVH2104 100 0.74 (修正 JEDEC) 0.66 0.56 0.47
XCVU35P-FSVH2104 100 0.45 (修正 JEDEC) 0.40 0.33 0.28
XCVU35P-FSVH2892 100 0.55 (修正 JEDEC) 0.48 0.40 0.33
XCVU37P-FSVH2892 100 0.39 (修正 JEDEC) 0.34 0.28 0.24
XCZU25DR-FSVE1156 XCZU27DR-FSVE1156 XCZU28DR-FSVE1156
1.13 0.99 0.86 0.76
XCZU25DR-FSVG1517 XCZU27DR-FSVG1517 XCZU28DR-FSVG1517
1.18 1.02 0.86 0.74
XCZU29DR-FSVF1760 1.25 1.05 0.88 0.75
XCVU27P-FIGD2104 XCVU27P-FSGA2577 XCVU29P-FIGD2104 XCVU29P-FSGA2577
1000.272
(修正 JEDEC)0.244 0.212 0.185
XCVU19P-FSVA3824100
0.292 (修正 JEDEC)
0.271 0.252 0.238
XCVU23P-VSVA1365 100 1.03 (修正 JEDEC) 0.950 0.830 0.880
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 38XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
PCB の実効熱伝導率 ke は、 参考文献に示した Lemczyk (1992) などで次のよ うに定義されています。
式 1-7
JB と ke の関数と しての関係を図 1-27 ～図 1-37 に示します。
XCVU11P-FSGD2104 の場合: JB = 0.3063ke–0.157
X-Ref Target - Figure 1-27
図 1-27: XCVU11P-FSGD2104: JB と ke の関係
ke2 kxkz kx kz+---------------=
ke
RJB(C
/W) X
X
X
0.360
X0.340
0.320
0.300
0.280
0.260
0.240
0.220
0.200
0.180
0.160
0
(RJB based on modified JEDEC is 0.324)
RJB =0.3063ke-0.157
5 10 15 20 25 30
X20232-012318
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 39XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU9P-FSGD2104 の場合: JB = 0.318ke–0.173
XCVU13P-FIGD2104、 XCVU13P-FSGA2577、 XCVU27P-FIGD2104、 XCVU27P-FSGA2577、 XCVU29P-FIGD2104、XCVU29P-FSGA2577 の場合: JB = 0.2564ke
–0.154
X-Ref Target - Figure 1-28
図 1-28: XCVU9P-FSGD2104: JB と ke の関係
X-Ref Target - Figure 1-29
図 1-29: XCVU13P-FIGD2104、 XCVU13P-FSGA2577、 XCVU27P-FIGD2104、 XCVU27P-FSGA2577、 XCVU29P-FIGD2104、XCVU29P-FSGA2577: JB と ke の関係
ke
RJB(C
/W)
X
X
X
0.360
X0.340
0.320
0.300
0.280
0.260
0.240
0.220
0.200
0.180
0.160
0
(RJB based on modified JEDEC is 0.340)
RJB =0.318ke-0.173
5 10 15 20 25 30
X20233-012318
ke
RJB(C
/W) X
XX
0.320
0.300
0.280
0.260
0.240
0.220
0.200
0.180
0.160
0
(RJB based on modified JEDEC is 0.272)
RJB =0.2564ke-0.154
5 10 15 20 25 30
0.140
X
X20231-012318
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 40XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU31P-FSVH1924 の場合: JB = 0.66ke–0.16
XCVU33P-FSVH2104 の場合: JB = 0.6961ke–0.182
X-Ref Target - Figure 1-30
図 1-30: XCVU31P-FSVH1924: JB と ke の関係
X-Ref Target - Figure 1-31
図 1-31: XCVU33P-FSVH2104: JB と ke の関係
X20733-042418
X20732-042418
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 41XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU35P-FSVH2104 の場合: JB = 0.4206ke–0.191
XCVU35P-FSVH2892 の場合: JB = 0.5115ke–0.205
X-Ref Target - Figure 1-32
図 1-32: XCVU35P-FSVH2104: JB と ke の関係
X-Ref Target - Figure 1-33
図 1-33: XCVU35P-FSVH2892: JB と ke の関係
X20731-042418
X20730-042418
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 42XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU37P-FSVH2892 の場合: JB = 0.3606ke–0.194
XCZU25DR-FSVE1156、 XCZU27DR-FSVE1156、 XCZU28DR-FSVE1156 の場合: JB = 1.0518ke–0.156
X-Ref Target - Figure 1-34
図 1-34: XCVU37P-FSVH2892: JB と ke の関係
X-Ref Target - Figure 1-35
図 1-35: XCZU25DR-FSVE1156、 XCZU27DR-FSVE1156、 XCZU28DR-FSVE1156: JB と ke の関係
X20729-042418
X20727-042418
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 43XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCZU25DR-FSVG1517、 XCZU27DR-FSVG1517、 XCZU28DR-FSVG1517 の場合: JB = 1.0895ke–0.185
XCZU29DR-FSVF1760 の場合: JB = 1.1382ke–0.2
X-Ref Target - Figure 1-36
図 1-36: XCZU25DR-FSVG1517、 XCZU27DR-FSVG1517、 XCZU28DR-FSVG1517: JB と ke の関係
X-Ref Target - Figure 1-37
図 1-37: XCZU29DR-FSVF1760: JB と ke の関係
X20728-042418
X20726-042418
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 44XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
XCVU19P-FSVA3824 の場合: JB = 0.2807ke–0.08
XCVU23P-VSVA1365 の場合: JB = 0.9657ke–0.063
X-Ref Target - Figure 1-38
図 1-38: XCVU19P-FSVA3824: JB と ke の関係
X-Ref Target - Figure 1-39
図 1-39: XCVU23P-VSVA1365: JB と ke の関係
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 45XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
詳細モデル
詳細熱モデルは、 デバイス とパッケージを直接表現した熱モデルです。 このモデルは具体的には、 ダイ、 アンダー
フ ィル、 基板、 およびはんだボールと リードなどパッケージの詳細な幾何寸法を記述しています。 詳細モデルの
個々のコンポーネン トには材料特性が関連付けられています。
このモデルは大量の演算を必要とするため、 熱管理ソ リ ューシ ョ ン開発の初期段階では使用しないでください。
解が見つかるまでに何度も反復が必要になるこ とがあ り ます。 初期段階ではパッケージの 「簡略モデル」 を使用し、
詳細モデルは開発サイクル終盤でシステムの熱マージンをよ り正確に検証する目的で使用してください。
特に FloTHERM または Icepack 以外のシ ミ ュレーシ ョ ン ツールを使用する場合、 正確な結果を得るには作成したモ
デルがパッケージを正確に表現している必要があ り ます。 詳細モデルは DEPLHI モデルまたは 2 抵抗モデルよ り も
精度が高いため、 精度が異なる場合はシ ミ ュレーシ ョ ンでそれを考慮する必要があ り ます。
DELPHI モデル
DELPHI モデルでは、 ジャンクシ ョ ン、 ケース、 上面、 リードなどの事前に定められた重要な部位におけるパッケー
ジの熱挙動を少ないノードでよ り正確に観察できます。 完全な 3D モデルとは異なり、 DELPHI モデルは演算負荷が
小さ く、 統合システムのシ ミ ュレーシ ョ ン環境で十分に扱う こ とができます。 DELPHI モデルは、 設計初期段階で熱
管理ソ リ ューシ ョ ンの値を推定するのに適しています。
DELPHI モデルはザイ リ ンクス サポート ダウンロード センターで入手できます ([Model Type] 欄の [パッケージ熱モ
デル])。
表 1-6 ～ 表 1-13 に、 ザイ リ ンクスのリ ッ ドレス フ リ ップチップ パッケージの熱抵抗を示します。
.
表 1-6: XCVU11P-FSGD2104 DELPHI 熱抵抗値 (°C/W)
上面内側 下面内側 上面外側 下面外側 側面
ジャンクシ ョ ン 0.004 0.39 5.38 225.00
上面内側 135.18
下面内側 17.79
上面外側
下面外側 1.44
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 46XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
表 1-7: XCVU9P-FSGD2104 DELPHI 熱抵抗値 (°C/W)
上面内側 下面内側 上面外側 下面外側 側面
ジャンクシ ョ ン 0.003 0.40 4.78 75.00
上面内側 661.15
下面内側 35.21
上面外側
下面外側 1.43
表 1-8: XCVU13P-FIGD2104、 XCVU13P-FSGA2577、 XCVU27P-FIGD2104、 XCVU27P-FSGA2577、 XCVU29P-FIGD2104、XCVU29P-FSGA2577 DELPHI 熱抵抗値 (°C/W)
上面内側 下面内側 上面外側 下面外側 側面
ジャンクシ ョ ン 0.003 0.38 1.68 100.00
上面内側
下面内側 4.29 3.6
上面外側
下面外側
表 1-9: XCZU25DR-FSVE1156、 XCZU27DR-FSVE1156、 XCZU28DR-FSVE1156 DELPHI 熱抵抗値 (°C/W)
上面内側 下面内側 上面外側 下面外側 側面
ジャンクシ ョ ン 0.02 0.62 6.98 7.25 41.90
上面内側
下面内側 143.39 37.6 75.73
上面外側 6.19 6.12
下面外側 66.71
表 1-10: XCZU25DR-FSVG1517、 XCZU27DR-FSVG1517、 XCZU28DR-FSVG1517 DELPHI 熱抵抗値 (°C/W)
上面内側 下面内側 上面外側 下面外側 側面
ジャンクシ ョ ン 0.02 0.43 7.45 7.99 458.49
上面内側
下面内側 25.01 30.73
上面外側 6.16 5.12
下面外側 27.44
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 47XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
DELPHI モデルは Ansys Icepak および Mentor FloTHERM でコンパイル済みのものが提供されます。 それ以外の熱モ
デル化ツールを使用する場合は、 上記の熱抵抗を用いて DELPHI モデルを作成できます。 これらの熱抵抗は、
図 1-40 に示す構造のブロッ ク内に存在する必要があ り ます。 表 1-14 に、 このブロ ッ クの寸法を示します。
表 1-11: XCZU29DR-FSVF1760 DELPHI 熱抵抗値 (°C/W)
上面内側 下面内側 上面外側 下面外側 側面
ジャンクシ ョ ン 0.02 0.51 7.43 7.73 31.69
上面内側
下面内側 59.99 63.63 230.15
上面外側 6.16 4.60
下面外側 18.79
表 1-12: XCVU19P-FSVA3824 DELPHI 熱抵抗値 (°C/W)
上面内側 下面内側 上面外側 下面外側 側面
ジャンクシ ョ ン 0.004 0.22 2.36 70.24
上面内側
下面内側 16.73 10.52
上面外側
下面外側
表 1-13: XCVU23P-VSVA1365 DELPHI 熱抵抗値 (°C/W)
上面内側 下面内側 上面外側 下面外側 側面
ジャンクシ ョ ン 0.02 0.62 6.03 6.4 29.79
上面内側
下面内側 53.02 45.01 605.37
上面外側 5.06
下面外側 7.62
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 48XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
X-Ref Target - Figure 1-40
図 1-40: 上面外側領域における上面内側領域の位置
X18049-011718
表 1-14: 上面内側および上面外側の寸法 (mm)
デバイス上面内側 上面外側 側面
X Y X Y Z
XCVU11P-FSGD2104 28.72 27.78 47.5 47.5 2.724
XCVU9P-FSGD2104 25.55 34.44 47.5 47.5 2.724
XCVU13P-FSGD2104 XCVU13P-FSGA2577
28.72 37.08 52.5 52.5 2.724
XCZU28DR-FSVE1156XCZU25DR-FSVE1156 XCZU27DR-FSVE1156
21.13 18.144 35 35 2.272
XCZU28DR-FSVG1517XCZU25DR-FSVG1517 XCZU27DR-FSVG1517
21.13 18.144 40 40 2.272
XCZU29DR-FSVF1760 21.13 18.144 42.5 42.5 2.272
XCVU27P-FIGD2104 XCVU27P-FSGA2577 XCVU29P-FIGD2104 XCVU29P-FSGA2577
28.72 37.08 52.5 52.5 2.724
XCVU19P-FSVA3824 46.50 30.14 65 65 2.72
XCVU23P-VSVA1365 26.24 17.91 40 40 3.16
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 49XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
下面内側の領域を図 1-41 に、 その寸法を表 1-15 に示します。
X-Ref Target - Figure 1-41
図 1-41: 下面外側領域における下面内側領域の位置
表 1-15: 下面内側および下面外側の寸法 (mm)
デバイス下面内側 下面外側
X Y X Y
XCVU11P-FSGD2104 28.72 27.78 47.5 47.5
XCVU9P-FSGD2104 25.56 34.46 47.5 47.5
XCVU13P-FIGD2104 XCVU13P-FSGA2577
30.07 38.82 52.5 52.5
XCZU25DR-FSVE1156 XCZU27DR-FSVE1156XCZU28DR-FSVE1156
21.22 18.22 35 35
XCZU25DR-FSVG1517 XCZU27DR-FSVG1517 XCZU28DR-FSVG1517
21.27 18.27 40 40
XCZU29DR-FSVF1760 21.27 18.27 42.5 42.5
XCVU27P-FIGD2104 XCVU27P-FSGA2577 XCVU29P-FIGD2104 XCVU29P-FSGA2577
30.07 38.82 52.5 52.5
XCVU19P-FSVA3824 44.23 29.32 65 65
XCVU23P-VSVA1365 26.75 18.26 40 40
X18050-102217
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 50XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
特に FloTHERM または Icepack 以外のシ ミ ュレーシ ョ ン ツールを使用する場合、 正確な結果を得るには作成したモ
デルがパッケージを正確に表現している必要があ り ます。 報告された DELPHI モデルは、 単なる 2 抵抗モデルよ り
も詳細モデルに近い精度を達成しています。
モデルの比較
このセクシ ョ ンでは、 詳細モデルと簡略モデルまたは DELPHI モデルの比較結果を示します。 温度は摂氏で比較し
ています。 これらの比較は、 Icepak シ ミ ュレーシ ョ ンに基づきます。
表 1-16: XCVU11P-FSGD2104 の詳細モデルと DELPHI モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル DELPHI モデル
上面境界100 X 0.999X
10000 X 1.000X
下面境界100 (ke = 0.78) X 0.991X
100 (ke = 9.6) X 1.009X
表 1-17: XCVU9P-FSGD2104 の詳細モデルと DELPHI モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル DELPHI モデル
上面境界100 X 1.000X
10000 X 1.000X
下面境界100 (ke = 0.78) X 0.995X
100 (ke = 9.6) X 1.009X
表 1-18: XCVU13P-FIGD2104、 XCVU13P-FSGA2577、 XCVU27P-FIGD2104、 XCVU27P-FSGA2577、 XCVU29P-FIGD2104、XCVU29P-FSGA2577 の詳細モデルと DELPHI モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル DELPHI モデル
上面境界100 X 1.000X
10000 X 0.929X
下面境界100 (ke = 0.78) X 1.040X
100 (ke = 9.6) X 1.054X
表 1-19: XCVU31P-FSVH1924 の簡略モデルと詳細モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル TJ 簡略モデル TJ
上面境界100 X 1.0178X
10000 X 0.9860X
下面境界100 (ke = 0.78) X 1.0144X
100 (ke = 9.6) X 1.0310X
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 51XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
表 1-20: XCVU33P-FSVH2104 の簡略モデルと詳細モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル TJ 簡略モデル TJ
上面境界100 X 1.0126X
10000 X 0.9600X
下面境界100 (ke = 0.78) X 1.0106X
100 (ke = 9.6) X 1.0297X
表 1-21: XCVU35P-FSVH2104 の簡略モデルと詳細モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル TJ 簡略モデル TJ
上面境界100 X 1.0114X
10000 X 0.9890X
下面境界100 (ke = 0.78) X 1.0083X
100 (ke = 9.6) X 1.0245X
表 1-22: XCVU35P-FSVH2892 の簡略モデルと詳細モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル TJ 簡略モデル TJ
上面境界100 X 1.0103X
10000 X 0.9860X
下面境界100 (ke = 0.78) X 1.0126X
100 (ke = 9.6) X 1.0314X
表 1-23: XCVU37P-FSVH2892 の簡略モデルと詳細モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル TJ 簡略モデル TJ
上面境界100 X 1.0100X
10000 X 0.9820X
下面境界100 (ke = 0.78) X 1.0086X
100 (ke = 9.6) X 1.0242X
表 1-24: XCZU25DR-FSVE1156、 XCZU27DR-FSVE1156、 XCZU28DR-FSVE1156 の詳細モデルと DELPHI モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル TJ 詳細モデル TJ
上面境界100 X 1.0002X
10000 X 0.9948X
下面境界100 (ke = 0.78) X 0.9938X
100 (ke = 9.6) X 0.9944X
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 52XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
a
表 1-25: XCZU25DR-FSVG1517、 XCZU27DR-FSVG1517、 XCZU28DR-FSVG1517 の詳細モデルと DELPHI モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル TJ 詳細モデル TJ
上面境界100 X 0.9998X
10000 X 0.9974X
下面境界100 (ke = 0.78) X 0.9867X
100 (ke = 9.6) X 0.9846X
表 1-26: XCZU29DR-FSVF1760 の詳細モデルと DELPHI モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル TJ 詳細モデル TJ
上面境界100 X 1.0003X
10000 X 0.9948X
下面境界100 (ke = 0.78) X 0.9762X
100 (ke = 9.6) X 0.9881X
表 1-27: XCVU19P-FSVA3824 の詳細モデルと DELPHI モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル TJ 詳細モデル TJ
上面境界100 X 1.1480X
10000 X 1.0868X
下面境界100 (ke = 0.78) X 1.0393X
100 (ke = 9.6) X 1.0044X
表 1-28: XCVU23P-VSVA1365 の詳細モデルと DELPHI モデルの比較
境界 h (W/m2 K) 詳細モデル TJ 詳細モデル TJ
上面境界100 X 1.0034X
10000 X 1.0136X
下面境界100 (ke = 0.78) X 0.9295X
100 (ke = 9.6) X 0.9433X
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 53XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
サンプル ヒートシンクの冷却性能
図 1-42 ～図 1-44 に、 VU13P-FIGD2104 の詳細熱モデルを使用した実験から得たグラフ データを示します。
図 1-43 と図 1-44 のグラフ データは、 VU13P-FIGD2104 パッケージ モデルおよび 150W FPGA デザイン用の上記ヒー
ト シンク ソ リ ューシ ョ ンを使用した熱シ ミ ュレーシ ョ ンから得られたものです。 まず、 図 1-43 の左側のグラフから
エアフロー 30CFM の場合の実効熱抵抗を求めます (約 0.23°C/W)。 次に図 1-43 の右側のグラフから、 エア フロー 30CFM で動作させた場合の熱管理ソ リ ューシ ョ ンの温度 (SYSMON) で周囲温度よ り も約 35°C 高いこ とがわかり ま
す。 つま り、 これら条件下の最大周囲温度は 65°C まで可能であるこ とにな り ます。 図 1-44 の実験データに示したよ
うに、 同じ条件で B2104 のよ うな リ ッ ド付きパッケージを使用する と、 最大周囲温度は 58°C までとな り、 7°C 低く
な り ます。
X-Ref Target - Figure 1-42
図 1-42: 温度マップ (室温、 30CFM)
Thermal Map above ambient @ambient @ 30CFM 150W Design
Core 1
18.75 W
25W 25W
25W 25W
25W
25W
Core 2
18.75 W
25W 25W
25W 25W
25W 25W
25W 25W
Core 3
18.75 W
25W 25W
25W 25W
25W 25W
25W 25W
Core 4
18.75 W
25W 25W
25W 25W
25W 25W
25W 25W
X20234-012318
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 54XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
次に示すパッ ドの推奨事項は、 『UltraScale および UltraScale+ FPGA パッケージおよびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG575) [参照 1] および 『Zynq UltraScale+ デバイス パッケージおよびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG1075) [参照 2] の 「推奨する BGA パッケージの PCB デザイン ルール」 の章に記載しています。
• PCB パッ ドの推奨事項
• パッ ド タイプの推奨事項
• はんだパッ ドの推奨事項
X-Ref Target - Figure 1-43
図 1-43: 150 W デザイン
X-Ref Target - Figure 1-44
図 1-44: リ ッ ド付きデバイスと リ ッ ドレス デバイスの実験結果の比較
0.35
10
RH
S+
TIM
2 (°C
/W)
0.31
0.27
0.23
0.19
0.15
20 30 40 50 60 70
50.0
0.16
SysM
on
Te
mp
era
ture
(°C
)
45.0
40.0
35.0
30.0
25.0
0.32
RHS+TIM2 (°C/W) Flow Rate (CFM)
RHS+TIM2 = 0.808Flowrate-0.342
Lidless Package
Lidless Package
Lidless Package
Lidless Package
SysMon=153.69xRHS+TIM21.0777
X20235-022018
0.20 0.24 0.28
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
10 20 30 40 50 60 70
Lidless LID-PART Heat sink with heat pipes
Dimensions: 90x90x27mm
Base thickness: 4.5mm
Fin Thickness is 0.16mm
Fin number is 72
92W 100W
RJ-A = 2.311CFM-0.645
RJ-A = 2.3549CFM-0.599
CFM
Rj-a
X20236-012318
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 55XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
ヒートシンクの相変化材料の除去
ヒート シンクを取り外したり リ ワーク した りする場合は、 ダイ表面に残っている相変化材料を除去する必要があ り
ます。 相変化材料をコンポーネン トから完全に除去する方法と して、 Laird Technologies 社が次のガイダンスを示し
ています。
手順の説明: 1. コンポーネン ト を分離する
2. 残りの相変化材料を溶剤で拭き取る
詳細は、 「Laird Technologies 社の相変化材料の取り扱い」 を参照してください。
コンポーネン ト を分離する
室温でヒート シンクを左右の方向にねじって相変化 TIM と両方のコンポーネン ト (すなわちヒート シンク と CPU) の間の接着剤をはがします。 図 1-45 を参照してください。
一般的に、 コンポーネン トのサイズが 15mm x 15mm 以下と小さい場合、 接着剤は室温で容易にはがれます。 コン
ポーネン トのサイズが大き く、 上記のよ うにねじる動作が難しい場合、 または壊れやすいコンポーネン ト を使用し
ている場合は、 コンポーネン ト (推奨) またはヒート シンクを約 40°C ～ 60°C まで熱してから取りはずします。
ガイ ド ラインでは 40°C ～ 60°C と していますが、 35°C で十分な場合もあ り ます。 また、 70°C まで加熱した方が相変
化 TIM が柔らかくな り、 容易に分離できる こ と もあ り ます。
X-Ref Target - Figure 1-45
図 1-45: TIM と両方のコンポーネン トの間の接着剤をはがす
Phase changeTIM Heat Sink
CPU
X18052-071620
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 56XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
第 1 章: 機械/熱設計ガイド ライン
残りの相変化材料を溶剤で拭き取る
きれいな布に次のいずれかの溶剤を含ませて残りの相変化材料を拭き取り ます。
• トルエン (最適)
• アセ ト ン (良好)
• イ ソパラフ ィン系炭化水素 (商品名 Isopar、 Soltrol) (良好)
• イ ソプロピル アルコール (OK)
Laird Technologies 社の相変化材料の取り扱い
Laird Technologies 社が提供する相変化材料の安全な取り扱い、 廃棄方法、 健康上の注意点は、 同社の材料の安全性
に関するデータシート (MSDS) に記載されています。 この材料を使用または取り扱う前に、 この MSDS をお読みく
ださい。 Laird Technologies 社のウェブサイ ト (www.lairdtech.com) で参照できます。
計測デバッグ
インシステムで熱テス ト を実施する場合、 データ精度の低下とデバイスの損傷を防ぐためにダイ と ヒート シンクの
間に熱電対は配置しないでください。 最悪の場合、 ダイに対する機械的/熱的ス ト レスが増大してダイが損傷するこ
とがあ り ます。 損傷に至らない場合でも、 TIM の厚みが増大したり不均一になるこ とが多く、 熱電対を使用しない
システムに比べ放熱性能が低下してしまいます。 デバイス温度を計測するには、 システム モニター (SYSMON) を使
用します。 システム モニターによってシステムのデバッグ中にダイ温度を正確に計測できます。
リファレンス デザイン ファイル
このアプリ ケーシ ョ ン ノートの リ ファレンス デザイン ファ イルは、 ザイ リ ンクスのウェブサイ トからダウンロード
できます。
まとめ
このアプリ ケーシ ョ ン ノートでは、 表 1-1 に示したデバイス /パッケージの組み合わせの機械および熱設計要件につ
いて説明しました。 相変化材料の除去など、 ヒート シンクの取り外し方法の詳細は、 『UltraScale および UltraScale+ FPGA パッケージおよびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG575) [参照 1] および 『Zynq UltraScale+ デバイス パッケージお
よびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG1075) [参照 2] を参照してください。
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 85XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
付録 B
その他のリソースおよび法的通知
ザイリンクス リソース
アンサー、 資料、 ダウンロード、 フォーラムなどのサポート リ ソースは、 ザイ リ ンクス サポート サイ ト を参照して
ください。
ソリューシ ョ ン センター
デバイス、 ツール、 IP のサポートについては、 ザイ リ ンクス ソ リ ューシ ョ ン センターを参照してください。 デザイ
ン アシスタン ト、 デザイン アドバイザリ、 ト ラブルシューティングのヒン ト などが含まれます。
Documentation Navigator およびデザイン ハブ
ザイ リ ンクス Documentation Navigator (DocNav) では、 ザイ リ ンクスの資料、 ビデオ、 サポート リ ソースにアクセス
でき、 特定の情報を取得するためにフ ィルター機能や検索機能を利用できます。 DocNav を開くには、 次のいずれか
を実行します。
• Vivado IDE で [Help] → [Documentation and Tutorials] をク リ ッ ク します。
• Windows で [スタート ] → [すべてのプログラム] → [Xilinx Design Tools] → [DocNav] をク リ ッ ク します。
• Linux コマンド プロンプ トに 「docnav」 と入力します。
ザイ リ ンクス デザイン ハブには、 資料やビデオへのリ ンクがデザイン タスクおよびト ピッ クごとにま とめられてお
り、 これらを参照するこ とでキー コンセプ ト を学び、 よ くある質問 (FAQ) を参考に問題を解決できます。 デザイン ハブにアクセスするには、 次のいずれかを実行します。
• DocNav で [Design Hubs View] タブをク リ ッ ク します。
• ザイ リ ンクス ウェブサイ トのデザイン ハブ ページを参照します。
注記: DocNav の詳細は、 ザイ リ ンクス ウェブサイ トの Documentation Navigator ページを参照してください。
注意: DocNav からは、 日本語版は参照できません。 ウェブサイ トのデザイン ハブ ページをご利用ください。
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 86XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
付録 B: その他のリソースおよび法的通知
参考資料
注記: 日本語版のバージ ョ ンは、 英語版よ り古い場合があ り ます。
熱管理に関する詳細は、 次を参照してください。
1. 『UltraScale および UltraScale+ FPGA パッケージおよびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG575: 英語版、 日本語版)
2. 『Zynq UltraScale+ デバイス パッケージおよびピン配置ユーザー ガイ ド』 (UG1075: 英語版、 日本語版)
3. Virtex UltraScale+ FPGA パッケージ熱モデル (ザイ リ ンクス サポート )
ザイ リ ンクスの熱モデルでサポート される CFD ツールの詳細は、 次のウェブサイ ト を参照してください。
1. Mentor (FloTHERM)
2. ANSYS (Icepak)
熱モデリ ングの詳細は、 次の論文を参照してください。
1. Lemczyk, T.F., Mack, B., Culham, J.R. and Yovanovich, M.M., 1992, “Printed Circuit Board Trace Thermal Analysis and Effective Conductivity,” ASME J. Electronic Packaging, Vol. 114, pp. 413 - 419.
2. Refai-Ahmed, G. and Karimanal, K., 2003, “Validation of Compact Conduction Models of BGA Under Realistic Boundary,” J. of Components and Packaging Technology, Vol. 26, No. 3, pp. 610-615.
3. Sansoucy, E, Refai-Ahmed, G., and Karimanal, K., 2002, “Thermal Characterization of TBGA Package for an integration in Board Level Analysis,” Eighth Intersociety on Thermal Conference Phenomena in Electronic Systems, San Diego., USA.
4. Karimanal, K. and Refai-Ahmed, G., 2002, “Validation of Compact Conduction Models of BGA Under Realistic Boundary Conditions,” Eighth Intersociety on Thermal Conference Phenomena in Electronic Systems, San Diego, USA.
5. Karimanal, K. and Refai-Ahmed, G., 2001, “Compact conduction Model (CCM) of Microelectronic Packages—a BGA Validation Study,” APACK Conference on Advance in Packaging, Singapore.
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 87XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
付録 B: その他のリソースおよび法的通知
お読みください: 重要な法的通知本通知に基づいて貴殿または貴社 (本通知の被通知者が個人の場合には 「貴殿」、 法人その他の団体の場合には 「貴社」。 以下同じ ) に開示される情報 (以下 「本情報」 といいます) は、 ザイ リ ンクスの製品を選択および使用するこ とのためにのみ提供されます。 適
用される法律が許容する最大限の範囲で、 (1) 本情報は 「現状有姿」、 およびすべて受領者の責任で (with all faults) という状態で提供
され、 ザイ リ ンクスは、 本通知をもって、 明示、 黙示、 法定を問わず (商品性、 非侵害、 特定目的適合性の保証を含みますがこれ
らに限られません)、 すべての保証および条件を負わない (否認する ) ものと します。 また、 (2) ザイ リ ンクスは、 本情報 (貴殿または
貴社による本情報の使用を含む) に関係し、 起因し、 関連する、 いかなる種類 ・性質の損失または損害についても、 責任を負わな
い (契約上、 不法行為上 (過失の場合を含む)、 その他のいかなる責任の法理によるかを問わない) ものと し、 当該損失または損害に
は、 直接、 間接、 特別、 付随的、 結果的な損失または損害 (第三者が起こした行為の結果被った、 データ、 利益、 業務上の信用の
損失、 その他あらゆる種類の損失や損害を含みます) が含まれるものと し、 それは、 たとえ当該損害や損失が合理的に予見可能で
あったり、 ザイ リ ンクスがそれらの可能性について助言を受けていた場合であったと しても同様です。 ザイ リ ンクスは、 本情報に
含まれるいかなる誤り も訂正する義務を負わず、 本情報または製品仕様のアップデート を貴殿または貴社に知らせる義務も負いま
せん。 事前の書面による同意のない限り、 貴殿または貴社は本情報を再生産、 変更、 頒布、 または公に展示してはなり ません。 一
定の製品は、 ザイ リ ンクスの限定的保証の諸条件に従う こ と となるので、 https://japan.xilinx.com/legal.htm#tos で見られるザイ リ ンク
スの販売条件を参照してください。 IP コアは、 ザイ リ ンクスが貴殿または貴社に付与したライセンスに含まれる保証と補助的条件
に従う こ とにな り ます。 ザイ リ ンクスの製品は、 フェイルセーフと して、 または、 フェイルセーフの動作を要求するアプリ ケー
シ ョ ンに使用するために、 設計されたり意図されたり していません。 そのよ うな重大なアプリ ケーシ ョ ンにザイ リ ンクスの製品を
使用する場合のリ スク と責任は、 貴殿または貴社が単独で負う ものです。 https://japan.xilinx.com/legal.htm#tos で見られるザイ リ ンク
スの販売条件を参照してください。
自動車用のアプリケーシ ョ ンの免責条項
オートモーティブ製品 (製品番号に 「XA」 が含まれる ) は、 ISO 26262 自動車用機能安全規格に従った安全コンセプ ト または余剰性
の機能 ( 「セーフティ設計」 ) がない限り、 エアバッグの展開における使用または車両の制御に影響するアプリ ケーシ ョ ン ( 「セー
フティ アプリ ケーシ ョ ン」 ) における使用は保証されていません。 顧客は、 製品を組み込むすべてのシステムについて、 その使用
前または提供前に安全を目的と して十分なテス ト を行う ものと します。 セーフティ設計なしにセーフティ アプリ ケーシ ョ ンで製品
を使用する リ スクはすべて顧客が負い、 製品の責任の制限を規定する適用法令および規則にのみ従う ものと します。
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リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 57XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
付録 A
ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
概要
この付録では、 ザイ リ ンクス FCBGA リ ッ ド レス パッケージへの熱ソ リ ューシ ョ ンの推奨取り付け手順について説
明します。 これらのデバイスは消費電力が大き く大量の熱が発生するため、 熱ソ リ ューシ ョ ン (クーラー ) でこのエ
ネルギーを放散してデバイスの動作温度が仕様条件を超えないよ うにする必要があ り ます。 ファスナーでクーラー
をデバイスに装着する際には、 シ リ コンを損傷しないよ うにするこ とが課題とな り ます。
課題
熱電導率を最大限に高めるには、 シ リ コンと クーラーを非常に良好な状態で接触させる必要があ り ます。 機械的な
制約によ り、 これら 2 つの平面が完全に平坦または平滑であるこ とはあ りえません。 これを補うため、 通常は熱伝
導材料 (TIM) を塗布します。
TIM はこれら 2 つの平面の隙間を埋めるためのものであるため、 TIM の粒子径はこの隙間よ り小さいものと し、
TIM が厚い層を形成しないよ うに注意する必要があ り ます。 TIM の層の厚さを最小限に抑え、 シ リ コンを損傷しな
いよ うにダイ と クーラーを固定するには、 適切な圧力をかける必要があ り ます。 通常、 この圧力はデバイス メー
カーから提供されます。
デバイスは、 機械的ファスナーを用いて熱ソ リ ューシ ョ ンに取り付けます。 取り付け時には、 圧力がシ リ コン表面
全体に均一に分布し、 同じ圧力で 2 つの表面が平行に接するよ うに注意する必要があ り ます。 こ うする と、 TIM が均一に広がって隙間を埋め、 TIM の層の厚さが最小限に維持されます。
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 58XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
取り付けの管理
FCBGA に熱ソ リ ューシ ョ ンを適切に取り付けるには、 組み立てラインで一般的に使用される次のよ うなツールを使
用します。
重要: ヒート シンクの取り付け時には、 トルク圧力が 50psi を超えないよ うに制御してください。 この圧力レベルを
超えないよ うに締め付け速度を適切に調整するスマート トルク ド ラ イバーを使用するこ とを推奨します。 61 ページ
の 「スマート トルク ト ラ イバーを使用した組み立て」 を参照してください。
ツールとキャリブレーシ ョ ン
機械的な取り付けには、 次のツールを使用します。
• 可変トルク ド ラ イバーまたはスマート トルク ド ラ イバー (図 A-1)。 スマート トルク ド ラ イバーを使用する利点
については、 61 ページの 「スマート トルク ト ラ イバーを使用した組み立て」 を参照してください。
• キャ リブレーター (図 A-2)
• Tekscan FlexiForce A201 圧力センサーとマルチハンドル ELF システム (図 A-3)
• Tactilus Free Form 角型圧力センサー (図 A-4)X-Ref Target - Figure A-1
図 A-1: デジタル トルク ド ライバー (上)、 Hios CL 2000 (中)、 Hios CL 2000 (下)
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 59XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
X-Ref Target - Figure A-2
図 A-2: トルク ド ライバー キャリブレーター : Hios HP-10
X-Ref Target - Figure A-3
図 A-3: 圧力ゲージ: Tekscan FlexiForce A201、 マルチハンドル ELF システム
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 60XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
X-Ref Target - Figure A-4
図 A-4: 圧力センサー : Tactilus Free Form 角型センサー
X-Ref Target - Figure A-5
図 A-5: Tekscan 圧力センサー (全体図)
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 61XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
スマート トルク ト ライバーを使用した組み立て
ダイにかかる一時的な圧力を 50psi 以下にするこ とを推奨します。 ヒート シンクの組み立て時には、 ネジをゆっ く り
締めて最大トルクを制御してください。
組み立てには、 Atlas Copco MicroTorque ハンドヘルド ド ラ イバーの使用を推奨します。 仕様は次のとおりです。
• モデル: ETD M 50 ABL V2
• トルク設定: MTF6000
• ソフ ト ウェア バージ ョ ン: ToolsTalk MT 7.10.1.0X-Ref Target - Figure A-6
図 A-6: Atlas Copco MicroTorque に関する情報
リ ッ ドレス フリ ップチップ パッケージ使用時の設計ガイド ライン 62XAPP1301 (v1.6) 2021 年 2 月 23 日 japan.xilinx.com
付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
ス ト レスの比較
次の図は、 スマート トルク ド ラ イバーを使用した場合と、 速度制御のない普通のトルク ド ラ イバーを使用した場合
のス ト レス変動の比較を示しています。
X-Ref Target - Figure A-7
図 A-7: 速度制御のない普通のトルク ド ライバーを使用した場合のスト レス (非推奨)
X-Ref Target - Figure A-8
図 A-8: 圧力調節のあるスマート トルク ド ライバーを使用した場合のスト レス (推奨)
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付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
スマート トルク ド ライバーの利点
組み立てにスマート トルク ド ラ イバーを使用する と、 次のよ うな利点があ り ます。
• 締め付けプログラムをカスタマイズして、 品質と生産性を最大限に高めるこ とができます。
• 角度、 速度、 トルクを定義でき、 必要に応じて設定を簡単に変更できます。
• バッチ シーケンスを使用したワークフロー シーケンスを設定できます。 必要な トルクが自動的に適用されるか、
またはオペレーターに指示が出されるため、 エラーがなく生産性の高い組み立てが可能です。
• トルク ド ラ イバーと組み立て治具を連動させるこ とができます。
• ユーザー パスワードを使用して、 組み立てプログラムへのアクセスを制御できます。
• リ アルタイムのデータ モニタ リ ングと記録が可能です。
図 A-9 に、 スマート トルク ド ラ イバーを使用した組み立てワークステーシ ョ ンを示します。
X-Ref Target - Figure A-9
図 A-9: スマート トルク ド ライバーを使用した組み立てワークステーシ ョ ン
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付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
パッケージ スト レスを制御するためのエンジニアリングに関するベスト プラクテ ィス
組み立ておよび製造時にパッケージ ス ト レスを制御するためのベス ト プラ クティ スを次に示します。
• 組み立て時に伴う ス ト レス とデザインの影響を最小限に抑えるため、 バッ クプレート とエッジ ボンディングを
使用してください。
バッ クプレート を使用する と、 PCB の支えが強化されます。 エッジ ボンディングを使用する と、 PCB に保持さ
れるパッケージの強度が高ま り、 支えが強化されます。
• 次の測定を使用して、 ヒート シンク性能を検証してください。
° ゲージ センサーを使用して圧力測定を実施する。
注記: ゲージ センサーを用いた圧力測定だけでヒート シンクの接触に関する初期フ ィードバッ クが得られま
すが、 その他の測定も使用してヒート シンク性能を検証するよ うにして ください。
° 熱テス ト を実施して、 ヒート シンクの実際の性能への影響を検証する。
° 機械的設計の表現と検証に歪みゲージを使用する。
注記: 歪みゲージで斜めの歪みが 500με (マイクロス ト レイン) 未満であるか検証するこ とを推奨します。 こ
の歪みゲージ値は、 パッケージの機械的機構の完全性に影響しない範囲内にしてください。
セッ トアップとキャリブレーシ ョ ン
ド ラ イバーの トルクをキャ リブレーターで校正し、 デジタル トルク メーターを使用して トルクを設定します。 トル
ク値は必要な圧力、 ダイ表面積から計算します。 圧力の推奨値に関するガイ ド ラインは、 「ヒート シンクの圧力」 を
参照してください。
注記: デジタル トルク キャ リブレーター /メータは年に 1 回校正を実施してください。
プロセスの認定
圧力と力の検証
ダイ表面と クーラーの接触面で目標の圧力が得られるよ うに、 スプ リ ング付きネジの力を正し く設定する必要があ り
ます。 次に例を示します。
選択した目標圧力 = 32psi (20 ～ 50psi の間)
ダイ サイズ = 0.5 インチ × 0.5 インチ
目標力 = 32psi × 0.5 インチ × 0.5 インチ = 8lbf
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取り付け後の検証
FCBGA、 PCB、 および熱ソ リ ューシ ョ ン (ネジを含む) は、 前のセクシ ョ ンで検証したのと同じものを使用してくだ
さい。 取り付け後に、 目標値を達成できているかど うか検証します。 次の図に、 FCBGA ボードのレイアウ ト を示し
ます。
目標力は再現が可能で、 ダイ表面に働く力は目標値の 32psi に近い値となっています。
重要: ヒート シンクの取り付け時には、 トルク圧力が 50psi を超えないよ うに制御してください。 この圧力レベルを
超えないよ うにスマート トルク ド ラ イバーをプログラムするこ とを推奨します。 スマート トルク ド ラ イバーを使用
しない場合は、 取り付け時にネジをゆっ く り締めて トルクを制御してください。
X-Ref Target - Figure A-10
図 A-10: FCBGA ボードのレイアウト
X-Ref Target - Figure A-11
図 A-11: 目標力
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付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
取り付け手順
FCBGA への熱ソ リ ューシ ョ ンの取り付けにはいくつかのアプローチがあ り ます。 これは、 機械的アタ ッチメン トの
種類によ り異なり ます。 こ こからは、 ネジを基板の裏面から締めるか表面から締めるかによって熱ソ リ ューシ ョ ンに
どのよ うに影響するかをいくつかの例を挙げて説明します。
ヒートシンクを基板裏面からネジ留めする方法
こ こでは、 次の部品で構成される PCIe カードの例を示します。
• ヒート シンク ボ ト ム プレート (図 A-12)
• PCIe カード (図 A-13)
• アクティブ ト ップ プレート、 コア ヒート シンク、 シュラウ ド アセンブリ (図 A-14)
• スマート トルク ド ラ イバーを使用した組み立てワークステーシ ョ ン (図 A-9)X-Ref Target - Figure A-12
図 A-12: ヒートシンク ボトム プレート
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次に、 ヒート シンクの取り付け手順について説明します。 作業を始める前に、 図 A-15 に示す治具を用意しておく と
組み立て時の位置合わせを効率よ く進めるこ とができます。
X-Ref Target - Figure A-13
図 A-13: PCIe カード
X-Ref Target - Figure A-14
図 A-14: アクテ ィブ ト ップ プレート、 コア ヒートシンク、 シュラウド アセンブリ
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組み立て
次の手順に従って、 ヒート シンクを組み立ててください。
1. 機械組み立て治具にヒート シンクを置きます。
X-Ref Target - Figure A-15
図 A-15: 治具のセッ トアップ
X-Ref Target - Figure A-16
図 A-16: アクテ ィブ ヒートシンクを治具に置く
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2. PCBA を ヒート シンクの上に置きます。
3. ボ ト ム プレート を PCBA の上に置きます。
X-Ref Target - Figure A-17
図 A-17: ヒートシンクの上に置いた PCBA
X-Ref Target - Figure A-18
図 A-18: ボトム プレート
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4. IO ブラケッ ト をセッ ト します。
X-Ref Target - Figure A-19
図 A-19: IO ブラケッ ト
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5. 組み立て治具のカバーを取り付けます。
6. スマート トルク ド ラ イバー (下図) またはデジタル トルク ド ラ イバーを使用してネジを締めます。
X-Ref Target - Figure A-20
図 A-20: 組み立て治具のカバー
X-Ref Target - Figure A-21
図 A-21: ネジ留め
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ヒートシンクを基板表面からネジ留めする方法
コンポーネン ト
このヒート シンクの組み立てには次の部品を使用します。
• ヒート シンク とバッ ク ク リ ップ (図 A-22)
• PCB ボード (図 A-23)X-Ref Target - Figure A-22
図 A-22: ヒートシンクとバック クリ ップ
X-Ref Target - Figure A-23
図 A-23: PCB ボード
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組み立て
図 A-24 に、 リ ッ ドレス ユニッ トへのヒート シンク取り付けのフローチャート を示します。
X-Ref Target - Figure A-24
図 A-24: ヒートシンク取り付けのフローチャート
Heat sink assembly of lidless unit.
Assembly completed.
Acquire components: PCB board and
heat sink.
Position PCB board in the jig and align
with the back clip screw holes.
Place heat sink back clip into the jig
template.
Fasten and tighten screws with the
appropriate torque to attach heat sink.
Place heat sink on top of lidless unit
and align with back clip screw holes.
X20655-041318
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次に、 ヒート シンクの取り付け手順について説明します。 作業を始める前に、 図 A-25 に示すテンプレート治具を用
意しておく と組み立て作業が容易になり ます。
次の手順に従って、 ヒート シンクを組み立ててください。
1. ヒート シンクのバッ ク ク リ ップをテンプレート治具の所定の位置に置きます。
X-Ref Target - Figure A-25
図 A-25: テンプレート治具
X-Ref Target - Figure A-26
図 A-26: ヒートシンクを治具に置く
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付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
2. ヒート シンク バッ ク ク リ ップの上に PCB ボードを置き、 テンプレート治具の所定の位置に合わせます。
3. PCB ボードのリ ッ ドレス ユニッ ト上にヒート シンクを置き、 バッ ク ク リ ップのネジ穴 (図の赤で示した部分) に合わせます。
X-Ref Target - Figure A-27
図 A-27: PCB ボードを治具に置く
X-Ref Target - Figure A-28
図 A-28: 治具に置いたヒートシンクおよびリ ッ ドレス ユニッ トのネジ位置
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付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
4. ネジを軽く締めてク リ ップを固定した後、 トルクを正し く設定したド ライバーを使ってヒート シンクの 4 つのネ
ジを番号の順に締めて組み立てを完了します。
X-Ref Target - Figure A-29
図 A-29: 治具に置いたヒートシンクおよびリ ッ ドレス ユニッ ト
X-Ref Target - Figure A-30
図 A-30: 番号の順にネジを締める
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無線アプリケーシ ョ ン向けヒートシンクを底面からネジ留めする方法
コンポーネン ト
このヒート シンクの組み立てには次の部品を使用します。
• PCB ボード (図 A-31)
• ペデスタル付き Cu ブロ ッ ク (図 A-32)
• 無線アプリ ケーシ ョ ン用ヒート シンク (図 A-33) X-Ref Target - Figure A-31
図 A-31: PCB ボード
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付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
X-Ref Target - Figure A-32
図 A-32: ペデスタル付き Cu ブロック (底面と上面)
X-Ref Target - Figure A-33
図 A-33: 無線アプリケーシ ョ ン用ヒートシンク
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組み立て
図 A-34 に、 無線アプリ ケーシ ョ ン用ヒート シンク取り付けのフローチャート を示します。
X-Ref Target - Figure A-34
図 A-34: ヒートシンク取り付けのフローチャート
Heat sink assembly for wireless.
Assembly completed.
Acquire components: Cu block, PCB
board, and heat sink.
Fasten and tighten screws with
appropriate torque to attach Cu block.
Position PCB board into the jig and
align with Cu block screw holes.
Fasten and tighten screws with the
appropriate torque to attach heat sink.
Place assembled board with Cu block
into jig on top of heat sink and align.
Place Cu block into the jig template.
X20657-041318
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次に、 ヒート シンクの取り付け手順について説明します。 作業を始める前に、 図 A-35 と図 A-36 に示すテンプレー
ト治具を用意しておく と組み立て作業が容易になり ます。
X-Ref Target - Figure A-35
図 A-35: ペデスタル付き Cu ブロック用テンプレート治具
X-Ref Target - Figure A-36
図 A-36: 無線向けヒートシンクおよびボード用テンプレート治具
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付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
次の手順に従って、 ヒート シンクを組み立ててください。
1. Cu ブロ ッ クのペデスタルに TIM を塗布します。
2. Cu ブロ ッ クをテンプレート治具の所定の位置に置きます。
X-Ref Target - Figure A-37
図 A-37: Cu ブロックのペデスタルに TIM を塗布
X-Ref Target - Figure A-38
図 A-38: Cu ブロックを治具に置く
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付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
3. PCB ボードを裏返して Cu ブロ ッ クの上に置き、 Cu ブロ ッ クのネジ穴 (図の赤で示した部分) に合わせます。
4. ネジを 2 回ほど回して PCB ボード と Cu ブロ ッ クを仮止めします。 トルクを正し く設定したド ライバーを使って
ヒート シンクの 4 つのネジを番号の順に締めます。
X-Ref Target - Figure A-39
図 A-39: PCB ボードの Cu ブロック用ネジ位置
X-Ref Target - Figure A-40
図 A-40: 番号の順にネジを締める
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付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
5. これで PCB ボード と Cu ブロ ッ クの組み立ては完了です。
6. ヒート シンクをテンプレート治具の所定の位置に置きます。
X-Ref Target - Figure A-41
図 A-41: Cu ブロックを取り付け済みの PCB ボード
X-Ref Target - Figure A-42
図 A-42: ヒートシンクを治具に置く
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付録 A: ザイリンクス FCBGA リ ッ ドレス パッケージへの熱ソリューシ ョ ンの推奨取り付け手順
7. Cu ブロ ッ クを取り付けた PCB ボードを ヒート シンクの上に置き、 ヒート シンクのネジ穴 (図の赤で示した部分) に合わせます。
8. ネジを番号の順に締めて組み立てを完了します。
X-Ref Target - Figure A-43
図 A-43: ヒートシンクの Cu ブロック用ネジ位置
X-Ref Target - Figure A-44
図 A-44: 番号の順にネジを締める
